高速列车作用下钢桁拱桥吊杆疲劳监测与评估研究

摘要

随着高速铁路的快速发展，大跨铁路桥梁的安全性能日益引起人们的重视。在移动列车荷载作用下，桥梁振动反应显著。作为钢桁架拱桥的主要受力构件，吊杆的疲劳性能直接影响整个桥梁结构服役表现。研究全桥吊杆，尤其是受力更加显著的短吊杆疲劳损伤变化规律对于评估整个结构的健康状态具有重要意义。本文以京沪高铁南京大胜关长江大桥为工程背景，基于结构健康监测数据以及有限元模拟，围绕着钢桁架拱桥吊杆疲劳损伤及其寿命评估这一研究目标，开展了全桥吊杆疲劳性能评估的系统研究。主要工作如下： （1）介绍了大胜关大桥健康监测系统，利用监测数据，按列车编组数、行驶方向以及行驶车道将监测数据区分为不同的工况。通过分析不同工况下吊杆的疲劳损伤状况，得到其影响因素。最终得出结论：考虑轴弯应变增大效应时，得到的疲劳损伤比仅考虑轴向应变时要大；列车行驶轨道与桁架平面距离越近，该桁架平面上的吊杆由于列车运行而引起的疲劳损伤就越大；其他条件相同时，吊杆疲劳损伤随着列车编组数的增加而增加；列车行驶车速与吊杆疲劳损伤无直接关联。基于以上结论，本文还建立了短吊杆疲劳失效概率模型，并对应力循环次数以及应力幅进行多阶高斯分布拟合。 （2）建立了全桥构件尺度有限元模型，并建立全桥吊杆疲劳性能评估系统，继而分析全桥吊杆疲劳损伤分布规律。研究表明，单次列车通过时，顺桥向对称位置处的吊杆疲劳损伤存在差异，即列车行驶方向会对吊杆疲劳损伤有影响；列车行驶的车道在桥身横截面的位置以及列车编组数对全桥吊杆疲劳性能有显著影响。 （3）通过建立大胜关大桥短吊杆节点区的多尺度疲劳分析模型，基于多轴疲劳理论研究并计算了大胜关大桥短吊杆各工况下的疲劳损伤，在此基础上进一步探讨了列车荷载参数对短吊杆节点区域多轴疲劳损伤的变化规律。研究结果表明，多轴疲劳寿命水平仅为单轴疲劳寿命的1.69%；节点区域所受多轴疲劳损伤与总车流量、16节编组列车在总流量中的占比、货运列车占比均为正线性相关关系，车流总量越大，增长率越大，且货运列车的通行将会极大削减节点的疲劳寿命。

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ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 疲劳概述

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疲劳研究概况

1.2.2 高铁桥梁与其健康监测研究

1.2.3 疲劳理论

1.3 工程背景

1.3.1 桥梁概况

1.3.2 健康监测与研究方法

1.4 本文研究的主要目的和内容

第二章 基于监测数据的短吊杆疲劳分析

2.1 短吊杆应变监测系统

2.1.1 应变传感器安装

2.1.2 数据工况说明

2.2 短吊杆疲劳寿命影响因素分析

2.2.1 轴弯应变增大效应

2.2.2 列车行驶车道

2.2.3 车辆编组数

2.2.4 车速

2.3 基于监测数据的短吊杆疲劳损伤评估

2.3.1 基本假定

2.3.2 蒙特-卡罗模拟方法

2.3.3 疲劳寿命相关因素的概率分布

2.4 本章小结

第三章 基于构件尺度有限元模型的全桥吊杆疲劳分析

3.1 大胜关大桥构件尺度有限元模型的建立与验证

3.1.1 有限元建模

3.1.2 模型基本参数与有效性验证

3.2 全桥吊杆疲劳影响因素分析

3.2.1 列车行驶方向

3.2.2 列车所在车道位置

3.2.3 列车车厢数量

3.3 全桥吊杆疲劳损伤评估系统

3.4 本章小结

第四章 刚性吊杆-主梁节点区域多轴疲劳寿命分析

4.1 刚性吊杆-主梁节点区域多轴疲劳寿命分析方法

4.1.1 弹性体空间应力状态求解

4.1.2 多轴疲劳分析方法流程

4.2 刚性吊杆-主梁节点区域多尺度模型

4.2.1 节点区域精细化有限元模型

4.2.2 多尺度有限元模型衔接方法

4.2.3 大桥多尺度模型校核

4.3 节点区域多轴疲劳寿命分析

4.3.1 多轴疲劳寿命结果

4.3.2 与单轴疲劳寿命结果对比

4.4 刚性吊杆-主梁节点区域多轴疲劳寿命多因素影响分析

4.4.1 车流量及其成分

4.4.2 车型组成变化

4.5 本章小结

第五章 结论

5.1 本文研究总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间发表的学术论文